Trends beim Lasereinsatz für die Elektromobilität

Zum Jahresbeginn 2021 stehen bei der dritten Auflage des Symposiums die Einsatzmöglichkeiten der Lasertechnik für die Produktion von Batteriemodulen und -packs im Vordergrund. Die Vor-Veranstaltung konnte 2020 noch als Präsenztermin in Aachen stattfinden. Dass sie ausgebucht war, belegt die hohe Aktualität des Themas. Dieses Mal wird das „Lasersymposium Elektromobilität“ (LSE) am 19. und 20. Januar 2021 als Online-Event ausgetragen.

Hocheffiziente Laserverfahren für die Batterietechnik

Je mehr die Elektromobilität nachgefragt wird, desto größer wird der Bedarf nach Technologien, die eine wirtschaftliche Produktion und Kontaktierung effizienter Energiespeichersysteme erlauben. Im Automobilbereich erfordern höhere Ströme und Leistungen größere Anbindungsflächen und -querschnitte zur Reduzierung der Übergangswiderstände. Gleichzeitig müssen die Verbindungen hohen mechanischen und thermischen Ansprüchen genügen, um die notwendige Langzeitstabilität zu bieten. Welche neuen Wege und Trends die Lasertechnik dabei eröffnet, erörtern Experten aus Industrie und Forschung beim Aachener Symposium. „Dabei stehen in bewährter Form stehen die Einsatzmöglichkeiten der Lasertechnik in diesem für die E-Mobility so wichtigen Bereich im Vordergrund“, erläutert André Häusler, Teamleiter für das Mikrofügen von metallischen Werkstoffen am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT.

Das renommierte Fraunhofer-Institut verfügt über große Erfahrungen beim Thema laserbasierte Verbindungstechnik. Je nach der zu bearbeitenden Klasse an Werkstoffen kommen dazu Verfahren wie das Laserschweißen, -löten oder -bonden zum Einsatz. Prozesse wie das Präzisionsschweißen von Metallen, das Kunststoffschweißen oder die Glas- und Keramikbearbeitung werden fortlaufend weiterentwickelt und für industrielle Anwendungen angepasst.

Know-how in der Entwicklung leistungsfähiger Energiespeichersysteme

Elektrische Kontakte von Kupferwerkstoffen und art-ungleichen Metallkombinationen lassen sich mit dem Laser prozesssicher erzeugen. Sie zeichnen sich durch hohe Stromtragfähigkeiten aus. Mit speziellen, abstimmbaren Lasern können Kunststoff-Metall-Verbindungen für die Automobilindustrie oder transparente und hochkristalline Kunststoffe für die Elektronik besonders gut geschweißt werden, bei zugleich geringen thermischen Belastungen der Werkstücke. Die Photonik liefert somit für elektrische Verbindungen in Batteriemodulen ein Werkzeug, das nicht nur die Leistungsgrenzen signifikant erweitert, sondern darüber hinaus auch ein hohe Prozesssicherheit garantiert. Insbesondere die Entwicklungen zu Hochleistungslasern mit werkstoffangepassten Wellenlängen im blauen und grünen Spektralbereich erweitern den Einsatzbereich erheblich.

Automobile Energiespeicher auf der Basis von Lithium-Ionen-Batterien basieren auf der Zusammenschaltung einzelner Rund-, Pouch- oder prismatischer Zellen. Auf diese Weise werden Energiewerte von 20 –100 kWh pro Batteriepack realisiert. Die Verschaltung geschieht dabei über kupferbasierte Verbinder, die zunehmend über Laserschweißverfahren kontaktiert werden. Faserlaser oder frequenzkonvertierte Scheibenlaser im grünen Spektralbereich verschweißen nun auch hochreflektive Materialien wie beispielsweise Kupferwerkstoffe miteinander. Und mithilfe neuer Entwicklungen wie dem Laserbonden können bisherige Multi-Metall-Verbindungswerkstoffe entfallen – mit dem Effekt eines sortenreinen Recyclings und einer energieeffizienteren Prozesskette.

Von den Grundlagen bis zum industriellen Einsatz

Längst ist das Werkzeug Laser in der Industrie „angekommen“ und erweist sich als unverzichtbar – dies zeigen die Beiträge im Symposium. Im Highlight-Vortrag „Flexible Use of Laser Beam Technology for E-Mobility“ stellt Dr. Jan-Philipp Weberpals von der Audi AG in Neckarsulm am ersten Veranstaltungstag die besonderen Möglichkeiten vor, die der Einsatz flexibler Laserprozesse in der modernen E-Mobility-Produktion großer Hersteller mit sich bringt.

Neben den bereits realisierten Applikationen stehen auch Grundlagen der Laserprozesse im Vordergrund, deren Verständnis für die industriell genutzten Prozesse von großer Bedeutung ist. Ein Höhepunkt hierzu ist der Vortrag „A View into the Invisible – Synchrotron Radiation Allowing Insights into Microscopic Laser Processes“ von Marc Hummel, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer ILT. Er präsentiert Forschungsergebnisse eines Wissenschaftler-Teams aus Aachen und Stuttgart, das im Oktober 2020 Laserschweißprozesse von Metallen mittels Synchrotronstrahlung am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg untersucht hat. Dabei können die unterschiedlichen Phasengrenzen im Prozess sichtbar gemacht werden, sodass sich das Schmelzbad, die Einschweißtiefe und die Porenbildung mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung bewerten lassen.

Die Themen Laserbonden, Laserschweißen und Dünnschichtverfahren für die Batterieherstellung und -kontaktierung sowie Lösungen und Perspektiven für die Prozessüberwachung in der Produktion werden beim LSE´21 in weiteren Vorträgen behandelt. Zu den Referenten zählen unter anderem Benjamin Mehlmann (F&K Delvotec Bondtechnik), Dr. Reiner Ramsayer (Robert Bosch), Dr. Christian Otten (Firma LaVa-X), Dr. Markus Kogel-Hollacher (Firma Precitec) und Prof. Achim Kampker (RWTH Aachen University – PEM) sowie Johanna Helm und Dr. Christian Vedder (beide vom Fraunhofer ILT).

Nah am Prozess mit virtuellen Laborführungen

Neue Entwicklungen für laserbasierte Schweißanwendungen präsentieren die Aachener Wissenschaftler auch per Live-Übertragung aus mehreren Labors des Fraunhofer ILT sowie des Lehrstuhls Production Engineering of E-Mobility Components (PEM) der RWTH Aachen University. Häusler erläutert dazu: „Interessierte haben bei den virtuellen Laborführungen zum Beispiel die Möglichkeit, verschiedene Laserfügeprozesse live zu beobachten. Aufkommende Fragen dazu können direkt per Chat oder Call an die Experten gestellt werden.“

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